从热力学定律角度探讨太阳利用问题

　　众所周知，太阳能是数量巨大、时间长久、无所不在且毫无污染的能源。随着它的应用范围越来越广阔，发展前景越来越远大，它的重要性也日益受到普遍重视，不少人指出，太阳能是"未来的能源"或"二十一世纪的能源".太阳能利用已逐步纳入各国政府开发新能源的长远规划。但是，必须清醒地看到，当前的太阳能利用还处在自发和半自觉的阶段，如何真正从根本上理解它的本质和特性，并以物理学的基本定律作为指导，更加自觉地加以利用，还有许多工作要做。事实上，人们往往误以为太阳能"取之不尽，用之不竭",因而根本不考虑效率和经济效益，或者只片面看到目前的经济效益不高，而未看到太阳能的利用效率远高于其它常规能源，以致形成了"太阳能利用在经济上不合算"的错觉。正是后面这一点，在相当大的程度上妨碍了大力投资太阳能的开发和利用。

　　本文力图从物理学定律特别是热力学定律的角度说明太阳能利用各方面的问题包括适用范围和热力用效率等等。

　　1. 太阳能利用与物理学定律

　　1.1 太阳能的起源

　　太阳是一个表面温度约为 5.7×103K 的炽热球体， 其中心处的温度超过 2×107K, 压强高达 3×1011大气压。在这样的高温和高压下，进行着剧烈的热核反应，其总的效果就是由 4 个氢核变成为 1 个氦核。实验测定， 每 1 克氢聚变成氦时，所发生的质量亏损为 0.0072 克；所释放出的能量约为6.5×1011焦耳。

　　太阳直径约为 1.4×106千米，质量约为 2.0×1030千克；其组成成分中，氢约占 80%,氦约占 19%,由此即可推算，假定太阳一直以目前的功率发射能量，还可继续维持 1011年左右。

　　1.2 太阳能的传播及与物质的相互作用

　　太阳释放出如此巨大的能源， 是以电磁辐射的形式向空间散失的。假定太阳为一近似黑体， 则可根据普朗克的黑体辐射定律和维恩位移定律，计算太阳的表面温度；再由斯忒藩-玻耳兹曼定律， 得出太阳辐射的总功率约为3.8×1020兆瓦。最后，根据日-地平均距离 1.5×108千米与地球的平均直径 6.4×103千米，可以计算得出到达地球大气上界的太阳辐射功率约为 1.7×1011兆瓦。该值约为目前地球上人类所用各种能源功率的5-6万倍。

　　由于大气密度受地球重力场作用从上至下逐渐增大，太阳辐射进入地球的大气层后，就受到大气层的多次反射（大气的折射率与其密度之间大体上呈线性关系）；另一方面，太阳辐射还受到大气分子和尘埃的散射（主要遵循瑞利散射定律）和吸收（遵循朗伯特指数衰减定律），二者总共损失掉57%.所以，最后只有大约43%的太阳能（其中27%为知射辐射，16%为散射辐射）能够到达地球表面，并成为风、气流、水波（包括海浪）的原动力，形成气候并造成地球上水的循环过程。其中部分能量以热能的形式储存在海水中，成为海洋热能；另有一小部分能量以化学能的形式储存在动物和植物的机体内，在有利的地理和地质条件下，经过数百万年后自然演变成各种矿物燃料（煤、石油、天然气等）。但就当前世界燃料的形成速率与消耗速率相比是微不足道的。因此，人们面临的紧迫任务，就是广泛地直接开发新能源，而太阳能和核能就并列为新能源的主要组成部分。

　　1.3 太阳能的利用

　　通常所谓太阳能的利用，是指上述到达地球表面这一部分太阳辐射功率的利用。但是，由于其中约有 70-80%散布在海洋和水面上，另有相当一部分分布在高山峻岭或荒无人烟的沙漠和森林中，就目前而论，人类真正可以加以利用的，估计仅为到达地球表面的太阳辐射功率的5-10%.

　　因此，如何充分而有效地利用这部分太阳能，就成为当前研究的主要课题。太阳能的利用，大致可以根据能源转换的方式，分为光-热利用、光-电利用、光-化学利用和光-生物利用等，其中以光-热利用（即通常所谓的太阳能热利用）最为成熟，不仅应用范围广泛，经济效益也较明显，有些方面已经可以与常规能源相竞争。

　　太阳能的热利用，在某种意义上就是把太阳能看作巨大的热源，通过传播、对流、辐射等各种传热过程取得热量，然后加以利用。上述各种传热过程分别遵循傅里叶定律、牛顿冷却定律及斯忒藩-玻耳兹曼定律。

　　1.4 太阳能的贮存

　　太阳能尽管具有数量巨大、时间长久、无所不在和毫无污染等独特的优点，但也存在着其自身固有的缺点：

　　①强度较弱，地面处的能流密度仅约为 0.5 千瓦/米；如需获得较高的能流密度，则必须采用高聚焦比的集热器，且需自动跟踪太阳，不但造价高，工艺要求也高。

　　②强度不稳定，随时间而变化；不仅有随昼夜、季节、纬度和海拔等因素的规律性变化，还有受天气晴、阴、云、雨等因素制约的随机性变化。因此，为了使太阳能能够成为一个连续而稳定的能源，并最终成为一个独立的能源，以便于目前的常规能源进行竞争，太阳能的贮存是必不可少的关键性措施。遗憾的是太阳能的贮存目前还是一个薄弱环节，正处于探索和研究的阶段。

　　在太阳能的各种贮存手段中，也是以热贮存比较成熟和经济。太阳能的热贮存具有以下三种形式：①热贮存：利用物质升（降）温时吸（放）热的特性，与物质的密度和比热以及温度变化直接相关，应用得较多；②潜热贮存：利用物质发生相变时吸（放）热反应的特性，与物质的密度和相变潜热直接相关，从技术方面考虑，一般多利用固、液两相之间的相变过程；③化学反应热贮存：利用可逆化学吸（放）热反应，但是就目前的技术发展水平而言，合乎各方面要求的可逆化学反应的种类以及可供选用的反应物或化合物都还不多，并且价格昂贵。

　　2. 太阳能热利用与热力学定律

　　就太阳能热利用来说，其主要的参量就是温度和热量。在一般情况下，总希望通过太阳能-热能转换过程获得尽可能高的温度（"品位高"），且所获得的"资用"热量尽可能多（"效率高"）。但是，从热力学的观点看来，二者却并不总是协调一致的。下面分别加以讨论。

　　2.1 太阳能热利用与热力学第一定律

　　对太阳能热利用与热力学第一定律之间的关系讨论得最多的问题，可以概括为下列两个方面：

　　①能量守恒和转换：这是自然界最普遍的规律之一，它要求对整个系统以及对系统中的任何部件都可以利用能量平衡方程来进行讨论。如果整个系统或其中某些部件的能量"收支相抵",则整个系统或某些部件即处于平衡状态，从而其温度应保持恒定；否则温度即应发生变化：能量收入多于支出时，温度就降低。但是在这个问题上往往隐含着一种错觉，即认为不消耗能量就可以节约能量。

　　②效率：一般多根据热力学第一定律来确定装置的效率，它定义为装置对外输出的能量与输入的能量之比值。

　　例如，一台热机吸收热量 Q 后对外作功 W,则热力学第一定律的效率即为 乍看起来，它好象还违背了能量守恒和转换定律（实际上当然不是）。由于热力学第一定律的效率并不受上界 100%的限制，所以用它来表征装置性能可改进的程度，是没有多大实际意义的。

　　2.2 太阳能热利用与热力学第二定律

　　吉布斯首先在热力学第二定律中引入了"资用能"的概念，定义为 A=U-T0S+P0V-D.其中 U 为内能，S 为熵，V 为体积，T0和 P0分别为环境的温度和压强，D 为由扩散过程所能得到的最大有用功。利用资用能的概念，就提供了一种标志能量的"质"的手段，就是可能对于各种方法进行分析对比，以便使完成给定过程所需消耗的资用能减为最小，从而保证以最有效的形式进行能量转换过程。

　　利用资用能的概念，可以将一个过程的热力学第二定律的效率定义为：在完成一项工作时，所必须消耗的最少资用能与完成该项工作实际消耗的资用能之比值：它是个完成工作的标志，而并非某个装置的标志。它可以评价能量转换过程是否最佳。

　　3. 结束语

　　通过以上的讨论可以看出，热力学第二定律的效率是一个非常有用的标志，它提供了对利用太阳能来代替常规能源进行估价的分析框架，结论是：太阳能热利用最有希望的领域，就是其熵水平与各种的太阳能收集器中使太阳能转换为热能的熵水平相当的那些领域。因为太阳能-热能转换过程的熵水平可以根据太阳能的收集的方法（例如集热器的聚焦比）来进行分类，都可以使所收集的太阳能很精确地进行匹配；而不象利用常规能源那样，经过把高温低熵的能源广泛地错用在低温高熵的工作上，从而导致热力学第二定律的效率很底，形成的浪费。

　　参考文献：
　　[1] 汪志诚 .热力学与统计物理[M]. 高等教育出版社。1992（12）
　　[2] 廖耀发。大学物理（下）[M].武汉大学出版社。1999（10）范围内的能源消耗情况来看，矿物